MnO2·0.5H2O锂离子筛吸附剂制备条件优化及其吸附工艺

摘要

随着科技的发展，市场对锂的需求量越来越大。传统的矿石提锂已经不能满足需求，盐湖卤水提锂得到了飞快的发展。离子筛吸附提锂是公认最有前景的盐湖提锂方法，其中锰系离子筛MnO2·0.5H2O的性能最为优良。论文主要研究了一种离子筛MnO2·0.5H2O的合成方法、解析酸的选择应用及其吸附性能。
　　采用正交实验法研究了离子筛的制备条件对离子筛的锂吸附量和锰溶损率的影响。考察了水热温度、锂锰摩尔比、水热时间、煅烧温度、煅烧时间等条件对离子筛性能的影响。其中，水热时间对离子筛的锂吸附量有显著性影响，煅烧时间、水热温度、煅烧温度、锂锰摩尔比有高显著性影响。但各合成因素条件对离子筛的锰溶损率均没有显著性影响。得出了制备离子筛的优化条件:水热温度230℃、锂锰摩尔比5∶1、水热时间13 h、煅烧温度450℃、煅烧时间6h。对优化条件下制备的锂离子筛进行了十次循环吸附—解析实验，离子筛的第一次锂吸附量为37.18 mg/g，在连续十次循环吸附—解析后锂吸附量保持在36.11 mg/g，锰溶损率平均值为3.12％。测得离子筛前驱体中的锂含量为6.46％，锰含量为54.09％，锰平均化合价为+3.992。吸附—解析前后，离子筛均保持了Li1.6Mn1.6O4的尖晶石结构。
　　用硫酸和盐酸分别作为解析酸酸洗离子筛前驱体，考察锂迁出率和锰溶损率，选择出合适的解析酸种类并进行一定的理论分析。在高锂迁出率、低锰溶损率、高富集锂浓度的前提下，确定解析酸的浓度。再通过实验得出解析酸中锂富集浓度。选择1.25 mol/L的硫酸作为解析酸综合效果最佳，解析液中可以富集到的锂浓度为14.27 g/L。酸洗时间、温度对解析效果影响不大。
　　研究了pH、温度、吸附时间等因素对离子筛吸附性能的影响。溶液pH值对离子筛吸附性能影响很大，碱性条件下离子筛吸附性能较佳，酸性条件下几乎不吸附。卤水是一个弱酸性的缓冲体系，离子筛在卤水中仍会有较高的锂吸附量。离子筛具有较强的选择吸附性，卤水中主要金属离子的吸附顺序为Li+＞＞Na+＞K+＞M92+。粉状离子筛在卤水中搅拌吸附两小时后吸附量逐渐趋于平衡。提高温度有利于锂的吸附，50℃卤水中搅拌吸附24 h锂吸附量达25.3 mg/g。离子筛在卤水中吸附满足Langmuir等温式，吸附过程为单分子层吸附，符合伪二级动力学，为化学吸附过程。吸附表观活化能Ea=41.27 kJ/mol。锂吸附过程不是由单一控制步骤控制的。
　　造粒后的离子筛吸附性能有所下降，30℃时平衡吸附容量为12.9 mg/g，仅为粉状离子筛的64.3％。提高反应温度和适当稀释卤水可以改善粒状离子筛的吸附性能。粒状离子筛的循环吸附—解析性能较好，循环吸附—解析10次后锂吸附量仍有11.3 mg/g，为初始锂吸附量的88.3％。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 锂的性质及其用途

1．1．1 锂的性质

1．1．2 锂的用途

1．2 锂资源的分布及开发

1．2．1 锂矿石提锂

1．2．2 盐湖卤水提锂

1．3 离子筛的研究现状

1．3．1 锰系离子筛的合成方法

1．3．2 锰系离子筛的缺陷

1．4 锰系离子筛脱嵌锂的原理

1．5 本文的研究意义及主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2．1 试剂及仪器

2．1．1 化学药品及原料

2．1．2 主要实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 锂离子筛的合成

2．2．2 酸洗实验

2．2．3 吸附实验

2．2．4 离子筛前驱体中锂含量的测定

2．2．5 离子筛前驱体中锰含量的测定

2．2．6 离子筛前驱体中锰的平均化合价的测定

2．2．7 材料的表征及溶液中的离子的测定

第3章 离子筛前驱体合成工艺参数选择与优化

3．1 正交实验设计

3．2 结果与讨论

3．2．1 正交实验结果

3．2．2 直观分析

3．2．3 方差分析

3．2．4 循环吸附—解析实验

3．2．5 最佳合成条件下合成样品的表征

3．3 本章小结

第4章 解析酸的选择

4．1 解析酸种类的选择

4．2 酸浓度的影响

4．3 酸洗时间的影响

4．4 酸洗温度的影响

4．5 解析酸中可富集的锂浓度

4．6 本章小结

第5章 离子筛吸附性能的研究

5．1 pH的影响

5．1．1 在不同pH的锂溶液中的吸附

5．1．2 在卤水中的吸附

5．2 初始锂浓度的影响

5．3 吸附温度、时间的影响

5．4 离子筛的选择吸附性能

5．5 吸附过程热力学

5．5．1 吸附等温线

5．5．2 离子交换等温线

5．6 吸附过程动力学力学

5．6．1 表观吸附动力学

5．6．2 表观吸附活化能

5．6．3 吸附过程控制步骤

5．7 本章小结

第6章 粒状离子筛在卤水中的吸附性能

6．1 粒状离子筛与粉状离子筛吸附性能的比较

6．2 粒状离子筛的循环性能

6．3 本章小结

第7章 结论

参考文献

学位期间主要的研究成果

致谢